Il
motore a combustione interna
(MCI) o
motore endotermico
, impropriamente detto
motore a scoppio
, e una
macchina motrice
per convertire l'
energia termica
, posseduta da un flusso aeriforme
aria
-
combustibile
, in
lavoro meccanico
, reso disponibile all'
albero motore
, ed usato solitamente per la
locomozione
o per convertire il suo movimento meccanico (in genere la
rotazione
) in
energia elettrica
, tramite un
generatore elettrico
.
L'invenzione e ricondotta ai lucchesi
Eugenio Barsanti
e
Felice Matteucci
, nel 1853 dettagliarono il funzionamento e la costruzione in documenti e
brevetti
depositati in diversi paesi europei quali
Gran Bretagna
,
Francia
,
Italia
e
Germania
[1]
.
Nei primi prototipi mancava la fase di
compressione
, ovvero la fase di aspirazione terminava precocemente con la chiusura della
valvola di aspirazione
prima che il
pistone
raggiungesse meta corsa, al che scoccava la
scintilla
e la combustione spingeva il pistone per la restante corsa, approfittando poi della riduzione di
pressione
per farlo risalire e questo ciclo era davvero poco efficiente.
Le prime applicazioni pratiche dei motori a combustione interna furono come motori marini fuoribordo. Questo perche il principale impedimento all'applicazione pratica del motore a combustione interna in veicoli terrestri era il fatto che, a differenza del
motore a vapore
, non poteva partire da fermo. I motori marini non risentono di questo problema, essendo le eliche esenti da un rilevante
momento di inerzia
. Dopo anni di sperimentazioni, solo nel
1899
apparvero delle vere
frizioni
in grado di far partire un veicolo terrestre da fermo senza doverlo spingere manualmente: cio diede l'effettivo impulso allo sviluppo dell'
autovettura
.
Il motore endotermico puo essere sia
rotativo
, con o
senza pistoni
, che
alternativo
, ed e quasi esclusivamente ad
accensione comandata
. La conversione avviene nella
camera di combustione
, dove i gas combusti generano l'alta
pressione
e l'aumento di volume che inducono lo spostamento dei
pistoni
, i quali, tramite collegamenti vari, fanno ruotare l'albero motore. La miscela consiste in una parte di
combustibile
(
benzina
,
gasolio
,
cherosene
,
gpl
,
gas naturale
,
alcool
, ecc.) e in una parte di comburente (solitamente l'
ossigeno
contenuto nell'aria), dosati in proporzioni particolari, anche in base al combustibile; il tipo di combustibile determina anche le caratteristiche del motore e quindi la sua applicazione nei vari ambiti.
in base alla tipologia i motori a combustione interna si suddividono:
- motore volumetrico
(il fluido motore viene elaborato con cadenza periodica all'interno di un volume ben definito e generato ciclicamente dal moto di alcuni organi meccanici)
- motori continui
(il fluido motore viene elaborato in maniera continua in una zona a volume non variabile e si configura quindi come un sistema meccanico energetico in deflusso)
Il motori a movimento alternativo in base al tipo di ciclo termodinamico:
oppure in base a come viene frazionato il ciclo sul moto alterno in motori:
Il motore volumetrico alternativo a quattro tempi e il motore che fornisce l'energia meccanica a quasi tutti i mezzi di trasporto su gomma (escluso taluni motocicli con il due tempi), ma anche barche a motore (escluso le navi con il due tempi sovralimentato) e ad alcuni treni. Viene usato talvolta su un piccolo
aeroplano
ad elica e per produrre energia elettrica a bassa tensione.
I motori a combustione interna si basano sulla
reazione chimica
esotermica
della
combustione
: la reazione di un
carburante
con un
comburente
, normalmente aria. Vedi anche
stechiometria
. In alcuni motori venne introdotto un nuovo tipo di sistema che migliorava di netto i consumi, denominato
Lean Burn
(combustione magra), consisteva nell'iniezione di aria ad alta pressione direttamente nella camera di combustione per ottimizzare l'esplosione della miscela.
I motori a combustione interna sono costituiti da diversi sistemi (impianti) che ne permettono il funzionamento, quali:
I carburanti piu utilizzati oggi sono composti da
idrocarburi
e sono derivati dal
petrolio
. Recentemente sono stati sviluppati prototipi che possono utilizzare anche
idrogeno
(sia gassoso, sia liquido). La maggior parte dei motori a combustione interna progettati per funzionare a benzina possono bruciare anche
metano
o GPL senza modifiche a parte quelle necessarie per l'impianto di alimentazione.
Essi vengono classificati in base al sistema di
accensione
utilizzato per provocare la combustione in:
- motori ad accensione comandata
: nei motori ad accensione comandata di solito l'accensione viene comandata attraverso una scintilla ad alta tensione che scocca nella miscela aria-combustibile all'interno del cilindro. La scintilla viene prodotta attraverso un
impianto d'accensione
. Inoltre per l'avvio del motore in condizioni di temperatura esterna e del motore stesso relativamente basse, si utilizza un sistema che serve a garantire un avvio piu facile, chiamato
starter
.
- motori ad accensione spontanea
: nei motori ad accensione spontanea (detti anche
motori Diesel
) il combustibile viene iniettato nell'aria compressa nei cilindri del motore e la combustione ha luogo spontaneamente, grazie alle favorevoli condizioni termo-pressorie del comburente.
L'energia dei prodotti di combustione, i
gas combusti
, e superiore all'energia originale dell'aria e del carburante (che avevano una maggiore
energia chimica
) e si manifesta attraverso un'elevata
temperatura
e
pressione
che vengono trasformate in
lavoro meccanico
dal motore. Nei motori alternativi, e la pressione dei gas combusti a spingere i pistoni all'interno dei cilindri del motore.
Recuperata l'energia, i gas combusti vengono eliminati attraverso una o due valvole di scarico. Nei motori a combustione interna attuali, dopo essere stati espulsi dal cilindro, i gas di scarico attraversano una
turbina
che provvede a recuperare l'energia residua dei prodotti della combustione, al fine di poter azionare un compressore centrifugo (calettato sullo stesso albero della turbina), il quale comprime l'aria comburente (sovralimentazione mediante
turbocompressore
azionato da gas di scarico). Al termine di questa fase il pistone torna nella posizione di
punto morto superiore
(pms). Tutto il
calore
non trasformato in lavoro deve essere eliminato dal motore attraverso un
sistema di raffreddamento
ad aria o a liquido.
La potenza effettiva o potenza meccanica di un motore e la
potenza
disponibile sull'
albero motore
considerate tutte le dispersioni. Una delle sue formule e la potenza ≪per via termica≫ esprimibile con la formula:
Dove le variabili della formula rappresentano:
- e la densita dell'aria, circa pari, ma sempre inferiore a quella atmosferica nei motori aspirati, piu elevata nei motori sovralimentati (generalmente del 20-30%)
- V
e la
cilindrata
- e la
tonalita termica
- e l'indice d'aria (maggiore di uno per miscele magre, inferiore per miscele grasse)
- a volte anche detto
e il coefficiente di riempimento.
- e il rendimento in camera di combustione
- e il rendimento ideale
- e il rendimento indicato
- e il rendimento meccanico
- n
e la velocita di rotazione dell'albero motore, espressa come numero di giri al secondo.
- e il numero di tempi del motore (2-4)